Environmental safety of base stations and user terminals of modern communication systems

Толық мәтін

Введение

В современном мире технологии связи играют ключевую роль в жизни общества, обеспечивая коммуникацию, доступ к информации и возможность обмена данными на глобальном уровне. Однако развитие технологий связи также ставит перед нами новые вызовы и проблемы, одной из которых является обеспечение электромагнитной безопасности используемых систем. Базовые станции и абонентские терминалы современных систем связи являются источниками электромагнитных излучений (ЭМИ), которые могут оказывать негативное влияние на здоровье человека, экосистему и техническое оборудование. В связи с этим изучение вопросов электромагнитной безопасности и разработка мер по ее обеспечению становятся актуальными задачами, решение которых необходимо для обеспечения устойчивого развития и безопасности связи в будущем.

Электромагнитный фон окружающей среды изменяется за счет увеличения количества радиообъектов, что приводит к неравномерности радиопокрытия. Согласно [1 – 3], источниками электромагнитных полей, оказывающими наибольшее воздействие на человека, являются системы мобильной связи, а именно линия связи от базовой станции к абонентскому терминалу на открытом воздухе (напряженность электрического поля Е = 0,3…0,7 В/м) и линия связи от мобильного терминала к базовой станции в общественном транспорте (E = 0,5…1,0 В/м).

Рекомендации по определению предельно допустимого уровня излучения

В России уровень электромагнитного излучения регулируется санитарными правилами и нормами 2.2.4/2.1.8.055-96, 2.1.8/2.2.4.1383-03 и гигиеническими нормативами 2.1.8./2.2.4.019-94, согласно которым в РФ существуют единые предельно допустимые уровни (ПДУ), измеряемые
в интенсивностях (плотностях потока энергии (ППЭ)), Вт/см², для населения, проживающего на прилегающей селитебной территории, ППЭ от антенн базовых станций (БС) должна составлять не более 10 мкВт/см², а ППЭ от радиотелефонов – не более 100 мкВт/см². Плотность потока энергии, Вт/см³, в области головы для мобильного терминала с ненаправленной антенной можно рассчитать [4]

$I=\frac{P}{4\pi r^2},$

где P – мощность источника излучения, Вт; r – расстояние от источника излучения до тела человека, см.

В других странах при определении ПДУ ориентируются на уровень ЭМИ, влияние которого может привести к очевидно опасным последствиям. За рубежом ПДУ относится к значению SAR (англ. Specific Absorption Ratе – коэффициент удельной поглощенной мощности, выраженной на единицу массы тела, Вт/кг). В ближней зоне [5]

$SAR=\sigma \frac{E^2}{\rho },$

где σ – удельная электропроводность ткани человека, См/м; ρ – плотность ткани человека, кг/м³; E – напряженность электрического полня в ткани, В/м.

Предельно допустимые уровни SAR отличаются в зависимости от принятых в стране рекомендаций: ICNIRP 2020, ICNIRP 1998, FCC 1996 и др.

Влияние электромагнитного излучения на человека и окружающую среду

Исследования не дают каких-либо последовательных доказательств неблагоприятного воздействия на здоровье радиочастотных полей на уровнях, ниже тех, которые вызывают нагрев. Исследования различных групп по всему миру (ARPANSA – Австралия, ANSES – Франция, Health – Канада, FAS – Швеция, HPA/PHE – Соединенное Королевство, FDA – США и др.) по данному вопросу в последние десятилетия вызывают разногласия: некоторые ученые утверждают, что негативные эффекты имеют место быть, в то время как другие это отрицают, но в рекомендации выносят предложения уменьшить воздействие ЭМИ и продолжить исследования [6 – 8].

Микроволновое излучение оказывает влияние не только на людей, но и на животных и растительные организмы, причем растения и деревья, по данным многочисленных исследований, подвергаются более сильному воздействию, в основном не из-за их более деликатной структуры, а из-за их статичности, которая приводит к постоянному облучению. В местах, прилегающих к базовым станциям, наблюдается наиболее сильное антропогенное воздействие ЭМИ на растения [9]. Наименьший уровень интенсивности электромагнитного излучения базовыми станциями, который может негативно влиять на рост растений, составляет 0,1…10 мВт/м² [10]. В работе [11] предполагают, что именно поляризованные волны глубже проникают
в растительный покров и способны нарушить электрохимический баланс клеток. Длительное воздействие ЭМИ вызывает ухудшение внешнего состояния растений и замедление роста [12].

Подавляющее большинство исследований обычно проходят в специализированных лабораториях, где присутствуют факторы, отличающиеся от реального мира. В качестве объектов часто используются крысы, мыши и другие животные с биологическим строением, отличным от человеческого. Из-за этих различий результаты экспериментов не всегда могут быть полностью применимы к человеческому телу.

Излучение базовых станции воздействует на все тело человека, но с малой интенсивностью, в то время как мобильные терминалы воздействуют локально, но с большей интенсивностью, например, на головной мозг, щитовидную железу и т.д. Воздействие ЭМП БС круглосуточное и постоянное, а абонентских терминалов – периодическое и кратковременное [13]. В течение последних трех десятилетий проведены различные исследования по вопросу электромагнитной безопасности базовых станций в условиях различной застройки. При сравнении полученных результатов с некоторыми международными стандартами и рекомендациями замечено, что максимальное измеренное значение составляло всего 0,007 % от ПДУ ICNIRP и 0,005 % от ПДУ FCC [14]. Более того, измеренные значения были обусловлены не только мобильными базовыми станциями, но и всеми другими источниками излучения в диапазоне от 200 кГц до 3 ГГц. В то же время, согласно [15], показатели SAR в среднем выше на 0,3 Вт/кг пределов, установленных Международной комиссией по защите от неионизирующего излучения.

Мощность излучения мобильного телефона зависит от состояния канала связи с базовой станцией. При повышении уровня сигнала базовой станции в месте расположения приемника уменьшается мощность излучения мобильного телефона. Ведущие компании-производители мобильных телефонов придерживаются значения удельного коэффициента поглощения (SAR), равного 1,6 Вт/кг, которое рекомендовано Федеральной комиссией по связи (FCC). Согласно расчетам, при соблюдении данной рекомендации максимальное время ежедневного использования телефона человеком составляет не более 24 мин [16]. В список моделей телефонов с наибольшим SAR (Вт/кг) попали: Motorolla Edge (1,79), OnePlus 6T (1,55), Sony Xperia XA2 Plus (1,41), OnePlus 7T (1,4), Google Pixel 4 XL (1,39), Redmi K20 Pro (1,33) [17]. При сравнении поколений стандартов беспроводной связи [18] можно заметить следующие тенденции: с каждым новым поколением увеличивается мощность базовой станции, мобильного телефона; возрастает выброс CO₂; повышается SAR. Технические средства сетей 5G вызывают больший нагрев кожных тканей по сравнению с устройствами сетей 4G и 3G. В свою очередь 5G практически не ведет к нагреву всего тела, а локализует воздействие, в отличие от технологии 4G. В сетях 5G используются миллиметровые волны, передаваемые на более короткие расстояния, имеющие меньшую проникающую способность. Они могут проникать в кожу на глубину до 0,41 мм (42 ГГц), а излучение сетей 4G – на глубину до 1 мм. В сетях 5G используется большое количество базовых станций. Воздействие ЭМИ возрастает в стандартах 5G по сравнению с предыдущими поколениями связи, несмотря на увеличение рабочей частоты [19].

Подходы, способные снизить мощности передатчиков, уровни воздействия ЭМИ и значения SAR в сетях 5G

1. Технология MIMO (англ. Multiple Input – Multiple Output, множественный вход – множественный выход) предполагает использование нескольких приемопередающих антенн для получения направленного луча
   в сторону абонентского терминала, что позволяет уменьшить мощность передачи.
2. Метод формирования диаграммы направленности (англ. Beam­forming). Используются антенные решетки для фокусирования ЭМИ в направлении каждого пользователя мобильного телефона.
3. Технология D2D (англ. device-to-device). Эта технология прямой связи между устройствами, которая позволяет им обмениваться данными напрямую без участия базовой станции, что позволяет снизить мощность передачи, увеличить скорость передачи данных и снизить нагрузку на сеть.
4. Зеленый Интернет вещей (Green IoT). Данная технология поможет снизить парниковый эффект и уменьшить передаваемые мощности более чем на 30 %.
5. Экранирование SAR (SAR shielding). Основной принцип действия строится на применении метаматериалов или ферритов для снижения уровня излучения электромагнитных полей при экранировании излучения от мобильного телефона, планшета и других устройств в сторону головы. Рассмотрим данную технологию подробно.

Пример возможной реализации экрана SAR

Процесс экранирования SAR включает в себя использование специальных материалов и конструкций для создания «барьера» между источником излучения и телом пользователя. Эти материалы могут включать металлизированные экраны, ферритовые бусины или специальные покрытия на печатной плате устройства.

Далее приводится исследование метаповерхностной структуры с элементами SRR (англ. Split Ring Resonator – резонатор в виде разомкнутого кольца) (рис. 1). Элемент SRR представляет собой кольцевую структуру с вырезом, имитирующим электрическую емкость. Кольцо интегрировано в контур, геометрия которого оптимизирована методом эволюционного алгоритма. Расчет модели и ее алгоритмическая оптимизация проводились в программной среде CST Software Suite. Металлизация выполнена медью толщиной 35 мкм, диэлектрическая подложка толщиной 2,1 мм выполнена из полиимида с коэффициентом диэлектрической проницаемости 3,5. Геометрические размеры поверхности 24 мм на 24 мм.

 

Рис. 1. Метаповерхностная структура с элементами SRR

 

Рис. 2. График частотной зависимости коэффициента поглощения при прямом падении волны

 

Имитационное моделирование проводилось при условии падения волны под прямым углом к поверхности. Результатом проведенной симуляции является график частотной зависимости коэффициента поглощения (рис. 2). Из графика следует, что поглощение волны на уровне 90 % от общей энергии происходит в интервале от 10,03 до 14,62 ГГц. При нормальном падении волны на смоделированную поверхность происходит поглощение в частотной полосе шириной 4,59 ГГц.

Заключение

Активное развитие беспроводных сетей связи приводит к увеличению числа базовых станций и мобильных терминалов, что делает необходимым более детальное рассмотрение такого фактора загрязнения окружающей среды, как электромагнитное излучение. Результаты исследований различаются, но все ученые призывают принять меры для снижения уровня излучения. В настоящее время проводятся исследования для определения общей опасности электромагнитного воздействия на население, вызванного использованием технологий сотовой связи 3G, 4G и 5G. В стандарте связи 5G проводятся работы по снижению уровня электромагнитного излучения, поглощаемого организмом человека. Все это приводит к необходимости более тщательного наблюдения и контроля уровней электромагнитного излучения мобильных систем связи. В работе показаны технологии и методы, которые могут использоваться для снижения уровня излучения электромагнитных волн в мобильных сетях связи, что приведет к снижению негативного воздействия на человека и окружающую среду. Представлен пример поглощающей структуры в рамках технологии SAR shielding, показывающий эффективное поглощение в полосе частот шириной 4,59 ГГц.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России в сфере научной деятельности по проекту № FZNS-2023-0008.

Авторлар туралы

L. Statsenko

Far Eastern Federal University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: statsenko.lg@dvfu.ru

доктор физико-математических наук, профессор департамента электроники, телекоммуникации и приборостроения

Ресей, Vladivostok

M. Smirnova

Far Eastern Federal University

Email: statsenko.lg@dvfu.ru

старший преподаватель департамента электроники, телекоммуникации и приборостроения

Ресей, Vladivostok

N. Tsyrenova

Far Eastern Federal University

Email: statsenko.lg@dvfu.ru

магистрант

Ресей, Vladivostok

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар